本發(fā)明涉及一種面向低碳高效的高功率激光定向能量沉積過程工藝參數(shù)多目標(biāo)優(yōu)化方法，是一種考慮低碳排放、高沉積效率的高功率激光定向能量沉積過程工藝參數(shù)多目標(biāo)優(yōu)化方法，具體涉及一種面向低碳高效的航空航天等大型關(guān)鍵復(fù)雜結(jié)構(gòu)件高功率激光定向能量沉積過程的工藝參數(shù)多目標(biāo)優(yōu)化方法，屬于綠色智能制造與激光增材制造。

背景技術(shù)：

1、由于激光定向能量沉積具有成形效率及自由度高、多工藝復(fù)合可行性強等特點得到廣泛應(yīng)用。尤其是近年來在航空、航天等高端裝備的大型關(guān)鍵復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件取得了突破性進展。而在雙碳戰(zhàn)略下，面向結(jié)構(gòu)功能一體化、快速定制化的工藝需求，高性能、高效率的激光定向能量沉積技術(shù)已成為世界各國競相發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。目前，高激光功率、高掃描速度、高送粉量是提高激光增材制造效率的主要途徑之一，但其工藝過程的形性控制更為復(fù)雜困難，電能轉(zhuǎn)化為激光能的效率低、能量利用率低需消耗更多的電能，進而導(dǎo)致產(chǎn)生更多的碳排放。因此，探究高功率激光定向能量沉積過程的碳排放機理與工藝優(yōu)化方法，是實現(xiàn)我國高端裝備大型關(guān)鍵復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件的低碳、高效的關(guān)鍵。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、由于高功率激光定向能量沉積存在工藝過程復(fù)雜，碳排放源較多，多系統(tǒng)協(xié)同工作以及多工藝參數(shù)耦合下的碳排放機理與特性尚不清晰，現(xiàn)有低功率激光定向能量沉積過程碳排放模型適應(yīng)性不足等問題。本發(fā)明設(shè)計了一種面向低碳高效的高功率激光定向能量沉積過程工藝參數(shù)優(yōu)化方法，有效提高制造效率、降低碳排放，減少生產(chǎn)成本。

2、針對上述問題，本發(fā)明深入解析了高功率激光定向能量沉積工藝過程碳排放機理與特性，建立了高功率激光定向能量沉積的碳排放模型。以碳排放、粉末利用率及沉積效率為優(yōu)化目標(biāo)，寬高比和粉末利用率為約束條件，建立高功率激光定向能量沉積工藝參數(shù)多目標(biāo)優(yōu)化模型。提出一種改進nsga-ⅲ的模型求解算法，獲取最優(yōu)工藝參數(shù)組合。最后，采用kuka機器人激光定向能量沉積設(shè)備開展tc4鈦合金材料高功率激光增材實驗，驗證模型與算法有效性及準(zhǔn)確性。

3、本發(fā)明提供一種面向低碳高效的高功率激光定向能量沉積過程工藝參數(shù)多目標(biāo)優(yōu)化方法，具體方法如下步驟：

4、s1、構(gòu)建高功率激光定向能量沉積過程系統(tǒng)碳排放綜合模型。

5、s2、搭建高功率激光定向能量沉積過程能耗實時監(jiān)控平臺。

6、s3、開展高功率激光定向能量沉積試驗并應(yīng)用線性回歸擬合方法，以此獲取碳排放模型相關(guān)試驗參數(shù)。

7、s4、構(gòu)建以碳排放、粉末利用率及沉積效率為目標(biāo)的高功率激光定向能量沉積過程工藝參數(shù)多目標(biāo)優(yōu)化模型。

8、s5、基于一種自適應(yīng)動態(tài)調(diào)整變異交叉與參考點選擇機制的改進nsga-ⅲ算法對高功率激光定向能量沉積過程工藝參數(shù)優(yōu)化模型求解。

9、s6、采用優(yōu)化后的工藝參數(shù)開展tc4鈦合金材料高功率激光定向能量沉積實驗，以驗證模型與算法的有效性與準(zhǔn)確性。

10、優(yōu)選的，本發(fā)明中步驟s1中具體為如下子步驟：

11、s11、建立高功率激光定向能量沉積過程工作狀態(tài)下時間函數(shù)關(guān)系。

12、s111、高功率激光定向能量沉積過程總時間函數(shù)為：

13、t＝trt+trm+tst+tpt

14、式中，t為沉積過程總時間；trt為沉積輔助時間；trm為機器人工作時間時間；tst為激光器層間間隔時間；tpt為送粉器延遲送粉時間。

15、s112、機器人工作時間函數(shù)為：

16、trm＝tdm+tb+(k1+k2)×n0

17、

18、

19、式中，trm為機器人進給時間；tdm為沉積過程時間；tb為單道回程時間；l為沉積層長度；vo為單道回程速度；vf為掃描速度；；n1為沉積道數(shù)；n2為沉積層數(shù)；n0為機器人上升、下降次數(shù)；k1、k2為機器人下降、上升固定消耗時間常數(shù)。水冷機運行狀態(tài)下的工作時間函數(shù)為：

20、

21、式中，plin為激光器輸入功率；plm為激光器工作功率；vc為冷卻液流速；ρ為冷卻液密度；c為冷卻液比熱容、δt為冷卻液溫差。

22、s12、建立高功率激光定向能量沉積過程系統(tǒng)總碳排放模型。

23、s121、根據(jù)沉積過程中激光器的運行工作狀態(tài)建立碳排放模型：

24、cl＝(plt×(t-tdm)+plm×tdm+pls×tds)×ce

25、式中，cl為激光器碳排放；plt、pls分別為激光器子系統(tǒng)待機功率、層間停隔功率。

26、s122、水冷機作為單獨工作系統(tǒng)其工作狀態(tài)具有一定周期，與激光器工作狀態(tài)無明顯關(guān)系。因此，其碳排放模型為：

27、cc＝(pct×(t-tcm)+pcm×tcm)×ce

28、式中，cc為水冷機碳排放；pct、pcm分別為冷卻子系統(tǒng)待機功率、工作功率。

29、s123、機器人進給系統(tǒng)作為沉積過程的重要子系統(tǒng)可依據(jù)工作狀態(tài)變化建立碳排放模型：

30、cr＝(prt×(t-trm)+prm×(trm-tb)+prb×tb)×ce

31、式中，cr為機器人進給碳排放；pr-st、prm、prb分別為機器人進給子系統(tǒng)待機功率、工作功率及回程功率。

32、s124、依據(jù)送粉器工作原理以及確保碳排放模型精度及降低模型復(fù)雜程度構(gòu)建碳排放模型：

33、cp＝(pp-st×(t-(tdm+tpt))+ppm×(tdm+tpt))×ce

34、式中，cp為送粉器碳排放；pp-st、ppm分別為送粉子系統(tǒng)待機功率、工作功率。

35、s125、構(gòu)建輔助系統(tǒng)碳排放模型：

36、caux＝ce×pa×t

37、式中，caux為輔助系統(tǒng)綜合碳排放；pa為輔助系統(tǒng)綜合工作功率。

38、s126、在封箱沉積過程中金屬粉末、保護氣體物料碳排放模型分別為：

39、cm＝mm×cm

40、car＝cg×q×(tdm+tpt)

41、式中，cm為金屬粉末碳排放；car為保護氣體碳排放；mm為熔覆過程未使用金屬粉末質(zhì)量；q為保護氣體流量；tdm為保護氣體開啟的時間。

42、s127、通過對不同工作狀態(tài)下各系統(tǒng)碳排放分析可知，高功率激光定向能量沉積過程系統(tǒng)總碳排放模型為：

43、

44、具體的，依據(jù)本發(fā)明所述步驟s2中具體為：采用拓普瑞tp600功率分析儀對高功率激光定向能量沉積過程能耗進行實時監(jiān)控。

45、優(yōu)選的，依據(jù)本發(fā)明所述步驟s3中具體為如下子步驟：

46、s31、通過數(shù)據(jù)線性回歸擬合方法分別對激光器、機器人與送粉器進行數(shù)據(jù)擬合，得到激光器輸入功率與輸出功率之間的數(shù)學(xué)函數(shù)關(guān)系式為：plm＝515.9+3.087plin；機器人掃描速度與輸出功率之間的數(shù)學(xué)函數(shù)關(guān)系式為：prm＝448.4+0.8479vf；送粉器送粉速度與輸出功率之間的數(shù)學(xué)函數(shù)關(guān)系式為：ppm＝25.58+9.246vp。

47、s32、通過多次實際測量獲取水冷機、輔助設(shè)備工作狀態(tài)下的輸出功率值。

48、s33、沉積過程中tc4鈦合金金屬粉末物料碳排放模型參數(shù)獲?。?/p>

49、

50、式中，cm為金屬粉末碳排放；η為粉末利用率；vp為送粉速度。

51、優(yōu)選的，本發(fā)明中所述步驟s4中具體為如下子步驟：

52、s41、考慮到加工成本與粉末利用率直接相關(guān)，因此，通過單位時間內(nèi)熔覆層質(zhì)量與單位時間內(nèi)送粉質(zhì)量的比值表示：

53、

54、式中，η為粉末利用率；vp為送粉速度；m1、m2為沉積前、后基體質(zhì)量。

55、s42、由于單道沉積效率直接決定多道多層的沉積效率。因此將單位時間內(nèi)沉積層體積作為沉積效率的評價標(biāo)準(zhǔn)：

56、

57、式中，為沉積效率；h為單道沉積層高度；w單道沉積層寬度。

58、s43、沉積層質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)可通過寬高比值來檢驗是否滿足理想要求：

59、

60、式中，γ表示寬高比；w表示單道沉積寬度；h表示單道沉積高度。

61、s44、通過數(shù)據(jù)擬合得到粉末利用率η、沉積效率擬合數(shù)學(xué)函數(shù)關(guān)系式如下：粉末利用數(shù)學(xué)函數(shù)關(guān)系式：

62、

63、沉積效率數(shù)學(xué)函數(shù)關(guān)系式：

64、

65、s45、通過數(shù)據(jù)擬合得到寬高比γ作數(shù)學(xué)函數(shù)關(guān)系，將其為約束條件：

66、

67、s46、構(gòu)建工藝參數(shù)多目標(biāo)優(yōu)化模型：

68、

69、優(yōu)選的，本發(fā)明中所述步驟s5中具體為如下子步驟：

70、s51、基于自適應(yīng)動態(tài)調(diào)整變異交叉與參考點選擇機制的改進nsga-ⅲ算法模型求解。

71、s52、基于critic-topsis分析法選取pareto最優(yōu)解。

72、本發(fā)明主要針對激光定向能量沉積在航空航天領(lǐng)域大型關(guān)鍵復(fù)雜結(jié)構(gòu)件加工面臨的零件尺寸大、沉積效率低、碳排放高以及性能不足的問題，通過深入解析各子系統(tǒng)在沉積過程中的碳排放機理與特性，構(gòu)建了高功率激光定向能量沉積過程系統(tǒng)綜合碳排放總模型，建立以碳排放、粉末利用率及沉積效率為優(yōu)化目標(biāo)的高功率激光定向能量沉積工藝參數(shù)多目標(biāo)優(yōu)化模型，并提出一種改進nsga-ⅲ的算法對模型求解，獲取最佳工藝參數(shù)組合。其次，開展了tc4鈦合金材料進行實驗并驗證了模型及算法的有效性及準(zhǔn)確性。通過研究高功率激光定向能量沉積過程低碳建模與工藝參數(shù)優(yōu)化是實現(xiàn)高功率激光定向能量沉積技術(shù)在我國高端裝備大型關(guān)鍵復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件的低碳、高效制造的關(guān)鍵。